PRENOS TEPLA: ZÁKONY, FORMY PRENOSU, PRÍKLADY - FYZICKÝ - 2026

Pri prenose energie z jedného telesa do druhého dochádza k prenosu tepla v dôsledku rozdielu teplôt medzi nimi. Proces prenosu tepla sa zastaví, len čo sa teploty telies v kontakte vyrovnajú alebo keď sa odstráni kontakt medzi nimi.

Množstvo energie prenesené z jedného tela do druhého v danom časovom období sa nazýva prenášané teplo. Jedno telo môže dať teplo druhému, alebo ho môže absorbovať, ale teplo vždy prechádza z tela s najvyššou teplotou do tela s najnižšou teplotou.

Obrázok 1. V ohni sú tri mechanizmy prenosu tepla: vedenie, prúdenie a žiarenie. Zdroj: Pixabay.

Jednotky tepla sú rovnaké ako jednotky energie av medzinárodnom systéme merania (SI) je to joule (J). Ďalšími často používanými jednotkami tepla sú kalórie a BTU.

Pokiaľ ide o matematické zákony, ktorými sa riadi prenos tepla, závisia od mechanizmu výmeny.

Ak je teplo vedené z jedného telesa do druhého, rýchlosť výmeny tepla je úmerná teplotnému rozdielu. Toto je známe ako Fourierov zákon tepelnej vodivosti, ktorý vedie k Newtonovmu zákonu chladenia.

Formy / mechanizmy prenosu tepla

Sú to spôsoby výmeny tepla medzi dvoma telesami. Rozoznávajú sa tri mechanizmy:

-Driving

konvektomaty

-Radiation

V hrnci, ako je nádoba znázornená na obrázku vyššie, existujú tieto tri mechanizmy prenosu tepla:

- Kov v hrnci je zahrievaný hlavne vedením.

- Voda a vzduch sa zahrievajú a stúpajú prúdením.

- Ľudia v blízkosti hrnca sú zahrievaní vyžarovaným žiarením.

vodičský

K vedeniu tepla dochádza väčšinou v tuhých látkach a najmä v kovoch.

Napríklad kachle v kuchyni prenášajú teplo do potravín vo vnútri hrnca cez vodivý mechanizmus cez kov dna a kovové steny nádoby. Pri vedení tepla nedochádza k žiadnemu transportu materiálu, iba k energii.

prúdenie

Konvekčný mechanizmus je typický pre kvapaliny a plyny. Tieto sú pri vyšších teplotách takmer vždy hustejšie, z tohto dôvodu dochádza k prenosu tepla z horúcich tekutých častí do vyšších oblastí s chladnejšími tekutými časťami smerom nahor. V konvekčnom mechanizme je transport materiálu.

žiarenie

Radiačný mechanizmus umožňuje výmenu tepla medzi dvoma telesami, aj keď nie sú v kontakte. Okamžitým príkladom je Slnko, ktoré ohrieva Zem cez prázdny priestor medzi nimi.

Všetky telá emitujú a absorbujú elektromagnetické žiarenie. Ak máte dve telá pri rôznych teplotách, dokonca aj keď sú vo vákuu, po chvíli dosiahnu rovnakú teplotu v dôsledku výmeny tepla elektromagnetickým žiarením.

Rýchlosť prenosu tepla

V rovnovážnych termodynamických systémoch je množstvo celkového tepla vymieňaného s okolím dôležité, takže systém prechádza z jedného rovnovážneho stavu do druhého.

Na druhej strane, v prenose tepla je záujem zameraný na prechodný jav, keď systémy ešte nedosiahli tepelnú rovnováhu. Je dôležité si uvedomiť, že množstvo tepla sa vymieňa v určitom časovom období, to znamená, že dochádza k rýchlosti prenosu tepla.

Príklady

- Príklady vedenia tepla

Pri tepelnej vodivosti sa tepelná energia prenáša zrážkami medzi atómami a molekulami materiálu, či už ide o tuhé látky, kvapaliny alebo plyny.

Pevné látky sú lepšie vodiče tepla ako plyny a kvapaliny. V kovoch sú voľné elektróny, ktoré sa môžu pohybovať kovom.

Pretože voľné elektróny majú veľkú mobilitu, sú schopné účinnejšie prenášať kinetickú energiu prostredníctvom zrážok, a preto kovy majú vysokú tepelnú vodivosť.

Z makroskopického hľadiska sa meria tepelná vodivosť ako množstvo prenášaného tepla za jednotku času alebo kalorický prúd H:

Obrázok 2. Vedenie tepla cez tyč. Pripravil Fanny Zapata.

Kalorický prúd H je úmerný prierezu oblasti A a kolísaniu teploty na jednotku pozdĺžnej vzdialenosti.

Táto rovnica je použitá pre výpočet kalorický aktuálnej H baru, ako je tá na obrázku 2, ktoré sa nachádza medzi dvoma zásobníkmi teplotách T ₁ a T ₂ v tomto poradí, kde T ₁ > T ₂ .

Tepelná vodivosť materiálov

Nižšie je uvedený zoznam tepelnej vodivosti niektorých materiálov vo wattoch na meter na kelvin: W / (m. K).

Hliník -------- 205

Meď --------- 385

Striebro ---------- 400

Oceľ ---------– 50

Cork alebo laminát - 0,04

Betón alebo sklo ----- 0,8

Drevo ----- 0,05 až 0,015

Vzduch --------– 0,024

- Príklady konvekčného tepla

Pri prúdení tepla sa energia prenáša v dôsledku pohybu tekutiny, ktorá má pri rôznych teplotách rôzne hustoty. Napríklad, keď je voda uvarená v kvetináči, voda blízko dna zvyšuje svoju teplotu, takže sa rozširuje.

Táto expanzia spôsobuje stúpanie horúcej vody, zatiaľ čo studená stúpa, aby zaberala priestor, ktorý zostáva horúcou vodou, ktorá stúpala. Výsledkom je obehový pohyb, ktorý pokračuje, až kým sa nevyrovnajú teploty všetkých úrovní.

Konvekcia určuje pohyb veľkých vzdušných hmôt v zemskej atmosfére a tiež určuje cirkuláciu morských prúdov.

- Príklady radiačného tepla

V mechanizmoch prenosu tepla vedením a prúdením je pre prenos tepla potrebná prítomnosť materiálu. Naproti tomu v radiačnom mechanizme môže teplo prechádzať z jedného telesa do druhého pomocou vákua.

Toto je mechanizmus, ktorým Slnko pri vyššej teplote ako Zem prenáša energiu na našu planétu priamo vákuom vesmíru. Žiarenie k nám prichádza prostredníctvom elektromagnetických vĺn.

Všetky materiály sú schopné emitovať a absorbovať elektromagnetické žiarenie. Maximálna emitovaná alebo absorbovaná frekvencia závisí od teploty materiálu a táto frekvencia sa zvyšuje s teplotou.

Prevládajúca vlnová dĺžka v emisnom alebo absorpčnom spektre čierneho telesa sa riadi Viedenským zákonom, ktorý uvádza, že prevažujúca vlnová dĺžka je úmerná inverzii telesnej teploty.

Na druhej strane je sila (vo wattoch), s ktorou telo emituje alebo absorbuje tepelnú energiu elektromagnetickým žiarením, úmerná štvrtému výkonu absolútnej teploty. Toto je známe ako Stefanov zákon:

P = εAσT ⁴

Vo vyššie uvedenom výraze? Je Stefan konštantná a jeho hodnota je 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . A je povrchová plocha tela a ε je emisivita materiálu, bezrozmerná konštanta, ktorej hodnota je medzi 0 a 1 a závisí od materiálu.

Cvičenie bolo vyriešené

Zoberme si tyčinku na obrázku 2. Predpokladajme, že lišta je 5 cm dlhá, 1 cm polomeru a je vyrobená z medi.

Tyč je umiestnená medzi dvoma stenami, ktoré udržiavajú jej konštantnú teplotu. Prvá stena má teplotu T1 = 100 ° C, zatiaľ čo druhá stena je pri T2 = 20 ° C. určenie:

a.- Hodnota tepelného prúdu H

b.- Teplota medenej tyče 2 cm, 3 cm a 4 cm od steny T1.

Riešenie

Pretože medená tyčinka je umiestnená medzi dvoma stenami, ktorých steny udržiavajú vždy rovnakú teplotu, dá sa povedať, že je v ustálenom stave. Inými slovami, tepelný prúd H má v každom okamihu rovnakú hodnotu.

Na výpočet tohto prúdu sa použije vzorec, ktorý sa týka prúdu H s rozdielom teplôt a dĺžky tyče.

Prierezová plocha je:

A = πR ² = 3,14 * (1 x 10 ^-2 M) ² = 3,14 x 10 ^-4 m ²

Rozdiel teplôt medzi koncami tyče je

AT = (100 ° C - 20 ° C) = (373 K - 293 K) = 80 K

Ax = 5 cm = 5 x 10 ^-2 m

H = 385 W / (mK), * 3,14 x 10 ^-4 m ² * (80K / 5 x 10 ^-2 m) = 193,4 W

Tento prúd je rovnaký v ktoromkoľvek bode na lište av každom okamihu, pretože bol dosiahnutý ustálený stav.

Riešenie b

V tejto časti sa sú požiadaní, aby výpočet teploty Tp v bode P sa nachádza v určitej vzdialenosti od steny Xp T ₁ .

Výraz, ktorý udáva kalorický prúd H v bode P, je:

Z tohto výrazu možno Tp vypočítať pomocou:

Vypočítajme teplotu Tp v polohách 2 cm, 3 cm a 4 cm, pričom nahradíme číselné hodnoty:

• Tp = 340,6 K = 67,6 ° C; 2 cm od T1
• Tp = 324,4 K = 51,4 ° C; 3 cm od T1
• Tp = 308,2 K = 35,2 ° C; 4 cm od T1

Referencie

1. Figueroa, D. 2005. Séria: Fyzika pre vedu a techniku. Objem 5. Kvapaliny a termodynamika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fyzika: Pohľad na svet. 6. skrátené vydanie. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. General Physics for Engineers. USACH.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4 .. Vydanie. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Meranie prírodného prostredia. 2 .. Vydanie. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Tepelná vodivosť. Obnovené z: es.wikipedia.com